José Luis Pérez

Estamos inmersos en un mundo radiactivo, desde el aire hasta nuestros propios huesos

¿Por qué un objeto emite radiación?

Todos los cuerpos o substancias de la naturaleza están constituidos por unos componentes elementales llamados átomos o por grupos de átomos llamados moléculas. El átomo está formado por un núcleo, donde se encuentran los neutrones y los protones, y alrededor del cual se sitúan los electrones, organizados en orbitales. Los protones y los neutrones se llaman indistintamente nucleones, pues son las partículas constituyentes del núcleo.

En un núcleo coexisten tres tipos de fuerzas: las fuerzas gravitatorias, independientes de la carga y de magnitud despreciable, atraen los nucleones entre sí, las fuerzas electrostáticas son las responsables de la repulsión entre protones, por tener cargas del mismo signo, y las fuerzas nucleares propiamente dichas, son fuerzas atractivas muy fuertes, independientes de la carga de las partículas, que actúan igualmente entre pares de neutrones, pares de protones o pares neutrón protón.

Todos los núcleos atómicos tienen un determinado número de protones y de neutrones perfectamente conocido (la masa de los electrones es despreciable al ser 1/1.800 veces la de un protón), pero la masa de los átomos no se corresponde exactamente con la suma de la masa de ambas partículas, sino que existe un defecto másico. Esta pérdida de masa se debe a la conversión de masa en energía de enlace cuando el núcleo se forma. Esta energía es, por ello, el trabajo que debe realizarse bajo las fuerzas existentes en el núcleo para separar todos los protones y neutrones que lo componen. Por tanto, está asociada al balance de las fuerzas que permite mantener unidos neutrones y protones.

Aplicando la famosa ecuación de Einstein, una deficiencia de masa de una uma de masa equivale a 931,5 MeV.  Los defectos de masa de los átomos que conocemos equivalen a una energía de enlace generalmente del orden de los MeV. En la práctica se habla de energía media de enlace por nucleón que resulta de dividir la energía anterior por el número de nucleones del átomo. Algunas energías de enlace son Helio-4, 7,07 MeV, Calcio-40, 8,55 MeV, Cobre-63, 8,75 MeV, y Uranio-238, 7,57 MeV.

En los átomos estables, las fuerzas atractivas nucleares y las repulsivas electrostáticas están compensadas (las gravitatorias son despreciales en este contexto). Si no lo están, el átomo es inestable, y el núcleo se desintegrará, con el objeto de alcanzar una configuración más estable.

Podemos ordenar los aproximadamente 1.300 existentes nucleidos en tablas o cartas de nucleidos teniendo como eje de ordenadas el número de protones y como abcisas el número el de neutrones. La línea o franja de esa representación que contiene los nucleidos estables se llama línea de estabilidad. Según el número másico aumenta, la relación entre los neutrones y protones de los átomos estables aumenta. Para el Helio-4 o el Oxígeno 16 esa relación es igual a la unidad, mientras que para el Indio115 vale 1,35 y 1,59 para el Uranio 238, es decir, que a medida que la masa atómica va creciendo, se necesita un mayor número de neutrones que de protones para que los núcleos sean estables, por lo que la línea de estabilidad se va curvando hacia abajo. Esto se debe principalmente al carácter de saturación de las fuerzas nucleares que las fuerzas de repulsión electrostática no presentan.

Por lo dicho, los nucleidos que representan una relación N/P superior o inferior al valor correspondiente a la franja de estabilidad son inestables y tienden a convertirse en nucleidos estables. Estas conversiones consisten en transformaciones de sus núcleos para alcanzar la relación N/P que les permita ser estables. Este proceso por el cual el núcleo pasa a un estado más estable se denomina desintegración radiactiva e implica la expulsión de partículas del núcleo del átomo en una determinada proporción, dejando tras de si un átomo más ligero que el primitivo. Esta emisión de partículas puede ir acompañada por emisión de radiación electromagnética debida a alteraciones de los niveles energéticos de los núcleos o de los electrones. En el primero de los casos hablamos de radiación gamma, y en el segundo, de rayos X. La manifestación toda de esta emisión es la radiactividad.

Los nucleidos que presentan este fenómeno son los llamados nucleidos radiactivos. Su existencia fue descubierta por el físico francés Becquerel en 1896. El más  pesado nucleido estable conocido es el que corresponde al de número atómico 83, el Bismuto-209. A partir de ahí, todos los nucleidos existentes en la naturaleza son inestables y por ello radiactivos.

Herni Becquerel

En la desintegración radiactiva se cumple tanto la conservación de la carga eléctrica y del número másico del conjunto, así como la conservación de la masa y energía como un todo, y la conservación del momento.

El universo que nos rodea contiene tanto nucleidos estables como inestables y la radiactividad producida de forma espontánea por los elementos de la naturaleza se denomina radiactividad natural. También puede producirse este proceso de forma artificial, por la creación, mediante reacciones nucleares provocadas, de nucleidos radiactivos artificiales o rayos X. Es la denominada radiactividad artificial.

Los elementos químicos son el resultado de reacciones de fusión y captura que se producen en las estrellas, mediante un proceso denominado núcleo síntesis. Estos nucleidos producidos son tanto estables como inestables, por lo que la radiactividad es un fenómeno natural desde el principio del universo. De los 1400 isótopos que se conocen (aproximadamente), unos 300 se dan de modo espontáneo en la naturaleza, y de ellos 265 son estables. Los otros 35 son inestables y se les denominan isótopos radiactivos naturales. Son por tanto elementos que nos rodean y que emiten radiación.

Dosis recibida por el hombre. Radiación Natural y Artificial

Como hemos dicho, la radiactividad (natural o artificial) puede darse en forma de partículas o de radiación electromagnética. Las partículas emitidas con mayor frecuencia son la alfa (núcleos de helio-4), la beta (electrones o positrones) y el neutrón; el deuterón y otro tipo de partículas son consecuencia de reacciones a mayores niveles de energía. La radiación electromagnética engloba los fotones gamma y los rayos X.